純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)控制策略

潘 新，于 萍，田 杰

(1.南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院， 南京 210034；2.福特汽車工程研究南京有限公司， 南京 210000)

0 引言

如今智能交通是未來發(fā)展的一大趨勢，智能道路控制技術[1]和智能汽車控制技術[2]層出不窮。純電動汽車在智能化、網聯(lián)化的大趨勢下，不僅在汽車動力性[3]與平順性[4]等方面需要匹配控制策略，各種隨車系統(tǒng)如車載空調系統(tǒng)也需要控制策略來保證不同工況下車室溫度的穩(wěn)定來提高乘客舒適度。目前，大多數(shù)純電動汽車都采用空調制冷和正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient,PTC)熱敏電阻制熱的方式[5]。但不同于通過發(fā)動機余熱供暖的傳統(tǒng)燃油車，純電動汽車僅依靠PTC熱敏電阻電加熱的方式制熱，能量利用率低，會大大縮減電動汽車的行駛里程[6]。因此，如何改善純電動汽車的低溫制熱性能成為當下研究的焦點問題[7-8]。

熱泵空調以其結構緊湊、高效環(huán)保和制冷循環(huán)可逆等特點成為一種潛力十足的新型空調系統(tǒng)，成為未來純電動汽車空調系統(tǒng)的發(fā)展方向[9]。因此，研究純電動汽車熱泵空調的控制策略具有重要意義。葉立等[10]采用優(yōu)化后的在線自調整模糊控制器進行了控制模擬，基本消除了穩(wěn)態(tài)誤差，并且控制精度高，但各工況下穩(wěn)態(tài)實驗結果僅高于目標溫度約0.01 ℃。汪琳琳等[11]分析對比了3種用于低溫環(huán)境的熱泵空調系統(tǒng)解決方案，認為利用蒸汽噴射熱泵空調系統(tǒng)是低溫采暖的有效手段。田鈞[12]提出了增加主動式可調節(jié)進氣格柵以及使用分層空調系統(tǒng)的熱泵空調系統(tǒng)優(yōu)化設計方案，在相同條件下分層空調系統(tǒng)出風口溫度較傳統(tǒng)空調系統(tǒng)高5～6 ℃,達到設定目標溫度用時更短。

以上研究表明，熱泵空調系統(tǒng)具有很大的發(fā)展空間。因此，本文將在系統(tǒng)闡述其工作原理的基礎上，根據(jù)實際系統(tǒng)建立和驗證了仿真模型，并著重對壓縮機轉速控制進行了研究。

1 熱泵空調系統(tǒng)的工作原理

純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)主要由電動壓縮機、內外換熱器、四通換向閥、節(jié)流機構、散熱風扇和儲液罐等組成(如圖1所示)。其中，壓縮機通常由電動機驅動，通過活塞或螺旋結構對工質氣體壓縮做功；儲液罐內有干燥劑，存儲多余制冷劑的同時可吸收其中摻雜的水分；節(jié)流機構包括毛細管和膨脹閥，通過控制從冷凝器流向蒸發(fā)器的制冷劑的流量使得節(jié)流機構后面管路中的壓力驟減，蒸發(fā)吸熱；內部換熱器在制冷模式下作為蒸發(fā)器使用，在制熱模式下作為冷凝器使用；外部換熱器在制冷模式下作為冷凝器使用，在制熱模式下作為蒸發(fā)器使用。

圖1 純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)的工作原理圖

熱泵空調制熱時，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機，壓縮機做功將其壓縮成高溫高壓的制冷劑；隨后，高溫高壓的制冷劑經四通換向閥流進內部換熱器，此時，制冷劑向車室內散熱，等壓冷凝后成為中溫高壓的液體；經節(jié)流機構后壓力驟降，制冷劑由液態(tài)轉化為氣液混合物流向外部換熱器，從外部環(huán)境中吸收熱量，蒸發(fā)成為低溫低壓的氣體；最后制冷劑流入壓縮機進入下一次循環(huán)[13]。利用四通換向閥改變工質的流向就可完成制熱模式向制冷模式的切換。

2 仿真模型的建立與驗證

根據(jù)熱泵空調系統(tǒng)工作原理，在AMESim軟件環(huán)境中建立仿真模型并設置仿真參數(shù)，最終得到如圖2所示的純電動汽車熱泵空調仿真模型。利用AMESim中的傳感器采集管路中工質的壓力、溫度、流量、熵和焓等數(shù)據(jù)信息，以及車內外換熱器的換熱量和壓縮機的轉速、轉矩和功率等信息，根據(jù)以上數(shù)據(jù)信息可計算出系統(tǒng)的COP值。

圖2 熱泵空調系統(tǒng)仿真模型示意圖

為檢驗所建立的熱泵空調仿真模型的有效性，設置壓縮機轉速為4 798 r/min，室外溫度為-5 ℃，運行時間為1 200 s，對模型進行仿真。由熱泵空調仿真模型和臺架試驗得到的結果如表1所示。

表1 仿真和試驗結果

從表1可以看出，在此工況下試驗結果和仿真結果基本一致。相對誤差最大值為3.7%，在誤差允許的范圍內。由此可見，所建立的仿真模型是有效的，可以在此仿真模型基礎上進行后續(xù)的控制策略研究。

3 壓縮機轉速控制策略研究

在純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)中，能夠對系統(tǒng)制熱(冷)量影響的因素主要為內外部換熱器散熱風扇的轉速和壓縮機的轉速。由于調節(jié)系統(tǒng)內工質的流量即可控制車室內溫度，而壓縮機的轉速直接影響熱泵系統(tǒng)內工質循環(huán)的流量，因此，本節(jié)將首先研究壓縮機轉速的開關控制、PID控制以及模糊控制策略。此外，外部換熱器風量的變化對車室內的溫度會有明顯的擾動，因此，基于車速設計了前饋控制環(huán)節(jié)作為模糊控制器的補償。

3.1 開關控制策略

開關控制策略邏輯相對簡單，控制框圖如圖3所示。當空調系統(tǒng)處于制冷模式時，如果實際溫度高于目標溫度，則啟動壓縮機以最高轉速運行，反之則停止壓縮機；當空調系統(tǒng)處于制熱模式時，如果實際溫度低于目標溫度，則啟動壓縮機以最高轉速運行，反之停止壓縮機。

圖3 開關控制框圖

實際應用時，為了防止實際溫度在目標溫度附近小范圍波動時壓縮機反復啟停，通常會取±0.5 ℃的滯回區(qū)間。滯回比較器的輸入輸出信號如圖4所示。滯回比較器和普通比較器的區(qū)別在于：普通比較器只有一個閾值，當輸入信號大于閾值時輸出一個信號(如“0”)，而當輸入信號小于閾值時，輸出另一個信號(如“1”)。而滯回比較器對于輸入信號在上升階段和下降階段分別有不同的閾值。以目標溫度為25 ℃，滯回區(qū)間為±0.5 ℃舉例：若輸入信號處于上升階段，達到 25.5 ℃時才會輸出0，而在信號下降階段，直到24.5 ℃才會輸出1。這樣，當車內實際溫度在24.5～25.5 ℃范圍內抖動時，不會引起輸出信號的頻繁跳動，從而避免了壓縮機的頻繁啟停。

圖4 滯回比較器信號示意圖

3.2 PID控制策略

PID控制器由比例、積分和微分環(huán)節(jié)組成。PID控制器將被控對象的目標給定值與實際反饋值之差作為輸入，對其進行比例、積分和微分計算，將所得結果乘以各自的比例系數(shù)，累加后輸出于控制被控對象，其數(shù)學公式如式(1)所示。

(1)

式中：e(t)為控制器輸入函數(shù)，一般取目標值r(t)與實際值y(t)的差值；u(t)為PID控制器的輸出，即控制量；KP為PID控制器比例環(huán)節(jié)的系數(shù)；KI為PID控制器積分環(huán)節(jié)的系數(shù)；KD為PID控制器微分環(huán)節(jié)的系數(shù)。

電動汽車熱泵空調系統(tǒng)的PID控制圖如圖5所示。汽車熱泵空調系統(tǒng)將車室溫度作為反饋值，將目標溫度與車室溫度的差值輸入PID控制器，輸出為控制壓縮機的轉速，進而調節(jié)壓縮機的制熱(冷)量，使車室溫度維持在設定的目標溫度左右。在實際應用中，PID控制器需要根據(jù)實際情況設定輸出的限制值，文中選用的壓縮機的最高轉速為6 500 r/min，因此需要限定PID控制器的最大輸出為6 500 r/min。

圖5 電動汽車熱泵空調系統(tǒng)的PID控制圖

3.3 模糊控制策略

模糊控制器是一種語言型控制器，模糊控制規(guī)則通過模糊集合中的模糊條件語句來體現(xiàn)。通常模糊控制器有知識庫、模糊化、模糊推理和清晰化4個組成部分，其基本結構如圖6所示。

圖6 一般模糊控制器的基本結構框圖

本文設計的熱泵空調系統(tǒng)壓縮機轉速模糊控制器采用如圖7所示的二維模糊控制器結構。將車室溫度信號與設定的目標溫度之差以及溫差的變化率經過模糊化、模糊推理和精確化后，得出壓縮機目標轉速，以此控制壓縮機的制熱量，最終達到控制車室內溫度的目的。

圖7 模糊控制器結構框圖

3.3.1精確量模糊化模糊控制策略

1) 溫差和溫差變化率的模糊化。

定義目標溫度減去實際車室溫度的差值為溫差。根據(jù)經驗，若輸入溫差大于6 ℃，為了使車室溫度快速上升至目標值，應控制壓縮機按最高轉速工作；若輸入溫差低于-6 ℃，為了使車室溫度快速下降至目標值，應控制壓縮機按最小轉速工作；若輸入溫差在±6 ℃范圍內，則由模糊控制器計算得出壓縮機轉速的控制量。

把溫差的基本論域[-6,6]劃分為7個級別：{負大(NB)，負中(NM)、負小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。用溫差變化率ec表示溫差每秒的變化，根據(jù)仿真試驗，對其基本論域的取值為[-1.5,1.5]，將其也劃分為7個級別：{負大(NB)，負中(NM)、負小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

溫度誤差和溫差變化率在NB區(qū)間的隸屬函數(shù)采用降梯形分布，對PB區(qū)間的隸屬函數(shù)采用升梯形分布，對其余區(qū)間的隸屬函數(shù)則采用三角形。圖8和圖9分別為溫差和溫差變化率的隸屬函數(shù)曲線。

圖8 溫差的隸屬函數(shù)曲線

圖9 溫差變化率的隸屬函數(shù)曲線

2) 壓縮機轉速的模糊化。

壓縮機轉速的實際變化范圍為n=[0,6 500]，將其劃分為7個級別：{零(Z)、低(L)、中低(ML)、中(M)、中高(MH)、高(H)、很高(VH)}。壓縮機轉速n的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)(見圖10)。

圖10 壓縮機轉速的隸屬函數(shù)曲線

3.3.2模糊推理規(guī)則設計

模糊控制器中推理規(guī)則通常參考專業(yè)技術人員或一線操作人員長期積累的經驗進行設計。模糊推理規(guī)則是一種模擬人類直覺思考的語言形式的表達式，一般由表示邏輯的關鍵詞連接而成，常用的關鍵詞有if、else、then、and和or 等。本文設計的模糊控制器為雙輸入單輸出結構，其基本推理規(guī)則的格式是：IfEandECthenP。基于經驗得到如表2所示的模糊控制規(guī)則。

表2 模糊控制規(guī)則表

3.3.3模糊量的清晰化

模糊控制器最終需要輸出精確的控制量來控制被控系統(tǒng)，所以對于輸入變量推理后得到的模糊集還需要對其進行清晰化處理。對于熱泵空調系統(tǒng)的模糊控制器而言，需要轉化成電機轉速精確量n。本文設計的模糊控制器選用重心法進行模擬量的清晰化，模糊控制表如表3所示。

表3 模糊控制表

3.4 前饋環(huán)節(jié)的引入

模糊控制屬于反饋控制，在反饋控制中當被控對象的實際值與目標值產生了偏差后控制器才會改變控制量使被控對象的實際值重新達到目標值。由于外部換熱器風量的變化對車室溫度有明顯擾動且系統(tǒng)重新恢復穩(wěn)態(tài)的時間較長，因此本文基于車速建立了前饋控制環(huán)節(jié)作為模糊控制器的補償，控制過程如圖11所示。

從圖11可以看出，以設定溫度與車室實際溫度的溫差作為模糊控制器的輸入，車速作為前饋控制環(huán)節(jié)的輸入，模糊控制器和前饋控制環(huán)節(jié)的輸出累加即可得到壓縮機的轉速控制信號。

圖11 加入前饋控制的熱泵空調控制過程框圖

4 仿真結果分析

為了進一步探究開關控制、PID控制和模糊控制3種控制策略下純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)的性能，將AMESim中搭建的熱泵空調仿真模型導出為Simulink模塊，在Simulink環(huán)境中首先對這3種控制策略進行了仿真分析。

4.1 開關控制

開關控制策略仿真模型如圖12所示。目標溫度設為25 ℃，目標溫度與車室實際溫度的溫差經過滯回區(qū)間為±0.5的滯回比較器后，輸出壓縮機的控制信號。壓縮機開啟時，以6 500 r/min的轉速運行；壓縮機關閉時，以0 r/min的轉速運行。開關控制控制策略仿真的車室溫度、壓縮機轉速和COP曲線分別如圖13—15。

圖12 開關控制仿真模型

圖13 開關控制策略溫度曲線

圖14 開關控制策略壓縮機轉速曲線

圖15 開關控制策略COP曲線

從圖13可以看出，在開關控制策略下，車室溫度在100 s時達到目標溫度25 ℃。在穩(wěn)態(tài)階段，車室內溫度在24～25.5 ℃呈周期性波動，波動周期約為55 s。結合圖13的溫度曲線，從圖14不難發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)階段當車室溫度上升至25.5 ℃時，壓縮機停止工作；當車室溫度下降至24.5 ℃時，壓縮機以6 500 r/min的轉速運行。從圖15可以看出，開關控制的COP值也很不穩(wěn)定，這是因為開關控制策略下壓縮機是間歇性工作的。穩(wěn)態(tài)時的COP平均值為1.5。

4.2 PID控制

在Simulink下建立純電動汽車熱泵空調PID控制仿真模型。目標溫度設為25 ℃，目標溫度與車室實際溫度的溫差作為PID控制器的輸入，PID控制器的輸出作為控制壓縮機的轉速信號。PID控制策略下仿真的車室溫度、壓縮機轉速和COP曲線分別如圖16—18。由于汽車空調系統(tǒng)的非線性特性和時滯較大的特點，并且汽車運行過程中工況變化大、情況復雜，因此PID控制器的效果并不理想。

從圖16可以看出，在PID控制策略下，車室內溫度在大約180 s時達到目標溫度25 ℃。在穩(wěn)態(tài)階段，車室溫度幾乎沒有波動。在圖17中，PID控制策略下的壓縮機轉速首先以最高轉速工作，當車室溫度接近目標溫度時，轉速不斷下降至約 3 500 r/min左右，在穩(wěn)態(tài)階段壓縮機以約 3 450 r/min的轉速運行。在圖18中，穩(wěn)態(tài)時COP平均值為1.8。

圖16 PID控制策略溫度曲線

圖17 PID控制策略壓縮機轉速曲線

圖18 PID控制策略COP曲線

4.3 模糊控制

首先在Matlab中創(chuàng)建一個模糊控制器，并將輸入、輸出信號的隸屬函數(shù)和模糊推理規(guī)則等信息錄入控制器模塊。通過規(guī)則觀察器和曲面觀察器可以看到模糊推理和輸出曲面。本文設計的模糊控制器的模糊推理規(guī)則和輸出曲面分別如圖19和圖20所示。

圖19 模糊控制器的模糊推理規(guī)則示意圖

圖20 模糊推理輸出曲面

將設計好的模糊控制器導入Simulink中，建立電動汽車熱泵空調仿真模型。目標溫度設為25 ℃，目標溫度與車室實際溫度的溫差作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出作為控制壓縮機的轉速信號。模糊控制策略下的車室溫度、壓縮機轉速和COP曲線分別如圖21—23。

圖21 模糊控制策略溫度曲線

圖22 模糊控制策略壓縮機轉速曲線

圖23 模糊控制策略COP曲線

從圖21可以看出，在模糊控制策略下，車室內溫度在大約140 s時達到目標溫度25 ℃，且在穩(wěn)態(tài)階段，車室內溫度幾乎沒有波動。從圖22和圖23中可以看出，在穩(wěn)態(tài)階段，壓縮機以約3 400 r/min的轉速運行，COP平均值為1.85。

4.4 對比分析

對比3種控制策略的車室溫度曲線圖不難發(fā)現(xiàn)：開關控制策略的溫度波動最大，模糊控制和PID控制在穩(wěn)態(tài)時均能穩(wěn)定地將車室溫度控制在目標溫度。在動態(tài)響應方面，模糊控制策略在此方面的性能明顯優(yōu)于PID控制策略，能夠更快地達到目標溫度。在COP曲線方面，由于開關控制策略會導致壓縮機頻繁啟停，因此COP值波動很大，模糊控制和PID控制的COP曲線比較平穩(wěn)，模糊控制在穩(wěn)態(tài)階段的COP值略高于PID控制。

4.5 帶前饋環(huán)節(jié)的模糊控制

在汽車正常行駛過程中，車速或外部環(huán)境風速的變化都會導致外部換熱器風量的變化，引起汽車室內溫度的波動，系統(tǒng)動態(tài)響應的優(yōu)劣直接影響到溫度波動的大小，最終影響車室環(huán)境的熱舒適性。將環(huán)境溫度設為0 ℃，分別模擬車速在10 s內從 40 km/h加速100 km/h和車速從100 km/h減速到40 km/h 2種工況下，采用模糊控制策略的熱泵空調系統(tǒng)的車室溫度波動情況。車速從40 km/h加速到100 km/h的仿真實驗結果如圖24所示。車速從100 km/h減速到 40 km/h的仿真實驗結果如圖25所示。

圖24 汽車加速時車室溫度曲線

圖25 汽車減速時車室溫度曲線

從圖24可以看出，當車速在10 s內從40 km/h增加到100 km/h后，車室溫度首先上升了約 0.5 ℃，經過約200 s后系統(tǒng)將車室溫度重新調整為 25 ℃。從圖25可以看出，當車速在10 s內從100 km/h降低到40 km/h后，車室溫度首先下降了約0.5 ℃，經過約200 s后系統(tǒng)將車室溫度重新調整為25 ℃。這是因為車輛加減速過程中外部換熱器風量隨著車速的變化而變化，換熱量變化進而導致熱泵空調系統(tǒng)的制熱量發(fā)生了變化。可見，室外換熱器風量的變化對車室溫度有明顯擾動，且系統(tǒng)重新恢復穩(wěn)態(tài)的時間較長。其原因在于，無論PID控制或模糊控制，都屬于反饋控制，只有當被控對象的實際值與目標值產生了偏差后，才會嘗試改變控制量，使被控對象的實際值重新達到目標值。而溫控系統(tǒng)是一個長時滯、大慣量的系統(tǒng)，無論是外部環(huán)境變化導致的溫度變化還是控制系統(tǒng)通過改變壓縮機轉速嘗試修正溫度，都需要較長的時間，這就導致了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度較慢[14-15]。因此，有必要在模糊控制的基礎上增加前饋環(huán)節(jié)，以減小車速變化對車室內溫度的影響。

將環(huán)境溫度設為0 ℃，分別模擬車速在10 s內從40 km/h加速到100 km/h和車速從100 km/h減速到40 km/h兩種工況下，采用加入前饋環(huán)節(jié)的模糊控制策略的熱泵空調系統(tǒng)的車室溫度波動情況，仿真實驗結果如圖26和圖27所示。

圖26 汽車加速時車室溫度曲線

圖27 汽車減速時車室溫度曲線

從圖中可以看出，模糊控制器控制策略加入前饋環(huán)節(jié)后，對于加減速時產生的溫度變化有了明顯的抑制作用，車室溫度幾乎沒有波動，達到了提高系統(tǒng)動態(tài)響應的目的。

5 結論

本文以保持電動汽車車室環(huán)境的熱舒適性并提高能量的使用效率為目標，基于AMESim搭建了電動汽車熱泵空調系統(tǒng)車室仿真模型，由仿真模型得到的仿真結果和臺架試驗得到的實驗結果在誤差范圍內基本一致，驗證了仿真模型的有效性。

設計了開關控制器、PID控制器和模糊控制器，在Simulink環(huán)境下對3種控制策略進行仿真。基于仿真結果從系統(tǒng)溫度控制動態(tài)響應和能效比兩方面對3種控制策略進行比較，模糊控制策略優(yōu)于開關控制策略和PID控制策略。

針對車輛加減速時外部換熱量變化導致熱泵空調系統(tǒng)的制熱量發(fā)生變化影響車室溫度穩(wěn)定，在模糊控制策略中加入了前饋環(huán)節(jié)。仿真結果表明，加入前饋環(huán)節(jié)后的模糊控制策略能有效提高動態(tài)響應，抑制車室溫度的波動。